अब तक कहानी: क्वांटम यांत्रिकी का कहना है कि कण कभी-कभी उन बाधाओं को पार कर सकते हैं जिन पर चढ़ने के लिए उनमें ऊर्जा नहीं होती है, जैसे किसी पहाड़ पर पहले चढ़ने के बजाय उसमें छेद करना। यह प्रक्रिया, जिसे टनलिंग कहा जाता है, परमाणु और परमाणु भौतिकी में आम है। 2025 भौतिकी नोबेल पुरस्कार विजेता जॉन क्लार्क, मिशेल डेवोरेट और जॉन मार्टिनिस पता चला कि ऐसा व्यवहार न केवल उपपरमाण्विक कणों में बल्कि सुपरकंडक्टर्स से बने विद्युत सर्किट में भी हो सकता है। यह खोज हमारे आसपास से जानकारी एकत्र करने, अध्ययन करने, समझने और उपयोग करने के तरीके को बदलने के लिए नई प्रौद्योगिकियों के द्वार खोलती है।
जोसेफसन जंक्शन क्या है?
तीनों द्वारा किए गए पुरस्कार विजेता प्रयोगों की मूलभूत इकाई जोसेफसन जंक्शन नामक एक उपकरण है। यहां, दो सुपरकंडक्टर्स को एक बहुत पतले इन्सुलेटर द्वारा अलग किया जाता है। तीनों जानना चाहते थे कि क्या संपूर्ण सर्किट का एक पैरामीटर, इस मामले में जंक्शन का चरण अंतर, एकल क्वांटम कण की तरह व्यवहार कर सकता है। वे सर्किट में मैक्रोस्कोपिक क्वांटम मैकेनिकल टनलिंग और असतत ऊर्जा स्तर दोनों को देखकर, एक शानदार ‘हां’ के साथ अपने प्रयोगों से दूर आए।
एकल जोसेफसन जंक्शन का एक योजनाबद्ध चित्रण। ए और बी दो सुपरकंडक्टर हैं; C एक अति पतला इन्सुलेटर है। | फोटो साभार: मिरासेटी (CC BY-SA)
एक सुपरकंडक्टर में, कई इलेक्ट्रॉन युग्मित होते हैं और बिना किसी प्रतिरोध के गति करते हैं। जोसेफसन जंक्शन में, प्रासंगिक चर सुपरकंडक्टिंग ऑर्डर पैरामीटर का चरण अंतर है। अलग ढंग से कहें तो, सुपरकंडक्टिंग ऑर्डर पैरामीटर एक मैक्रोस्कोपिक वैरिएबल है जो सामग्री में खरबों इलेक्ट्रॉन जोड़े साझा करता है और जो सिस्टम की स्थिति का वर्णन करता है। सिद्धांत भविष्यवाणी करता है कि जंक्शन के माध्यम से वर्तमान पैरामीटर के मूल्य पर निर्भर करता है, और चरण अंतर जंक्शन पर वोल्टेज के अनुसार समय में विकसित होता है।
जब वैज्ञानिकों ने जोसेफसन जंक्शन के माध्यम से करंट भेजा, तो उन्होंने पाया कि यदि यह काफी छोटा था, तो युग्मित इलेक्ट्रॉनों का प्रवाह रुक गया था और सर्किट में कोई वोल्टेज उत्पन्न नहीं हुआ था। शास्त्रीय भौतिकी में, यह स्थिति कभी नहीं बदलेगी: इलेक्ट्रॉनों का प्रवाह अवरुद्ध रहेगा। लेकिन क्वांटम दुनिया में, करंट के अचानक जाल से बाहर निकलने और दूसरी तरफ स्वतंत्र रूप से बहने की एक छोटी सी संभावना होती है, जिससे मापने योग्य वोल्टेज बनता है।
सर्किट नाजुक क्यों था?
1980 के दशक की शुरुआत में, कई समूहों ने वर्तमान को अलग-अलग करके और उस मूल्य को रिकॉर्ड करके इस सुरंग की खोज की जिस पर जंक्शन ने वोल्टेज उत्पन्न किया था। यदि थर्मल उतार-चढ़ाव के कारण इलेक्ट्रॉन जोड़े आसानी से दूसरी तरफ भाग रहे थे – पहाड़ पर कूदने के लिए पर्याप्त गर्म होने के समान – डिवाइस को ठंडा करने से वोल्टेज उत्पन्न करने के लिए आवश्यक वर्तमान की मात्रा में लगातार वृद्धि होनी चाहिए। दूसरी ओर, यदि इलेक्ट्रॉन जोड़े सुरंग बना रहे थे, तो पार करने की दर अंततः तापमान के साथ बदलना बंद कर देगी।
हालांकि सेटअप सरल था, लेकिन चुनौती आवारा माइक्रोवेव विकिरण को सर्किट को प्रभावित करने से रोकने और तापमान-स्वतंत्र व्यवहार के अनुरूप डेटा का उत्पादन करने में थी। इसलिए प्रयोगकर्ताओं को बहुत सावधानी से पर्यावरणीय शोर को कम करने और उसका वर्णन करने की आवश्यकता थी।
क्लार्क के नेतृत्व वाली बर्कले टीम ने, डेवोरेट और मार्टिनिस के साथ काम करते हुए, अपने सेटअप को फिर से डिज़ाइन करके इस समस्या को हल किया ताकि भटके हुए सिग्नल हस्तक्षेप न कर सकें। उन्होंने अवांछित माइक्रोवेव को रोकने के लिए विशेष फिल्टर और ढाल का उपयोग किया और प्रयोग के हर हिस्से को बेहद ठंडा और स्थिर रखा। फिर उन्होंने धीरे-धीरे यह जांचने के लिए कि सर्किट कैसे प्रतिक्रिया करता है, कमजोर लेकिन सटीक रूप से ट्यून किए गए माइक्रोवेव दालों को भेजा, जिससे उन्हें इसके विद्युत गुणों को सटीक रूप से मापने की अनुमति मिली। जब उन्होंने अंततः सिस्टम को बहुत कम तापमान पर ठंडा किया, तो उन्होंने देखा कि इसका व्यवहार क्वांटम टनलिंग सिद्धांत द्वारा अनुमानित सटीक पैटर्न से मेल खाता है।
सर्किट ने क्वांटम प्रभाव कैसे दिखाया?
शोधकर्ता यह भी पता लगाना चाहते थे कि क्या सर्किट की फंसी हुई स्थिति एक सुचारु सीमा के बजाय अलग-अलग ऊर्जा चरणों के साथ एक क्वांटम प्रणाली की तरह व्यवहार करती है – जो एक क्वांटम स्थिति की पहचान है। उन्होंने करंट को समायोजित करते हुए जंक्शन पर विभिन्न आवृत्तियों के माइक्रोवेव को चमकाया। जब आवृत्ति दो अनुमत ऊर्जा स्तरों के बीच के अंतर से बिल्कुल मेल खाती है, तो सर्किट अचानक अपनी फंसी हुई स्थिति से अधिक आसानी से निकल जाता है। स्तर जितना ऊँचा था, यह पलायन उतनी ही तेजी से हुआ। इन पैटर्न से पता चला कि सर्किट की समग्र स्थिति केवल ऊर्जा के निश्चित पैकेट प्राप्त या उत्सर्जित कर सकती है, जो कि क्वांटम यांत्रिकी के नियमों का पालन करने वाला एक कण भी होगा। संक्षेप में, संपूर्ण सर्किट एक परमाणु की तरह व्यवहार करता है।
कुल मिलाकर, नतीजों से दो तथ्य सामने आए। सबसे पहले, एक मैक्रोस्कोपिक विद्युत सर्किट – जिसे आप नग्न आंखों से देख सकते हैं – अपने वातावरण से पर्याप्त रूप से अलग होने पर क्वांटम व्यवहार प्रदर्शित कर सकता है। दूसरा, उस सर्किट में प्रासंगिक मैक्रोस्कोपिक समन्वय को क्वांटम यांत्रिकी के मानक उपकरणों का उपयोग करके समझा जा सकता है।
सुपरकंडक्टर के अंदर क्या होता है? | फोटो क्रेडिट: जोहान जर्नेस्टैड/रॉयल स्वीडिश एकेडमी ऑफ साइंसेज
इन प्रयोगों ने मैक्रोस्कोपिक क्वांटम अवस्थाओं को नियंत्रित करने और ‘पढ़ने’ के लिए एक व्यावहारिक मार्ग की ओर भी इशारा किया – इस मामले में बायस करंट, कमजोर माइक्रोवेव और सर्किट को बाहरी विकिरण से बचाने के लिए पर्याप्त सुरक्षा का उपयोग करना – जिसने क्षेत्र को ठोस-अवस्था उपकरणों में विश्वसनीय क्वांटम माप बनाने के लिए एक टेम्पलेट दिया। 1990 और 2000 के दशक में बाद के कार्यों ने इन विचारों को विस्तारित किया, सुपरकंडक्टिंग क्वैबिट विकसित किया, उन्हें माइक्रोवेव रेज़ोनेटर में एम्बेड किया, और उनकी सुसंगतता में सुधार किया (यानी शोर से नष्ट हुए बिना उनके क्वांटम राज्यों को बनाए रखने की उनकी क्षमता)।
इस कार्य के अनुप्रयोग क्या हैं?
तकनीकी अनुप्रयोग उसी भौतिकी से प्रवाहित होते हैं। किसी परमाणु के परिमाणित ऊर्जा स्तर की नकल करने के लिए जोसेफसन जंक्शन वाला एक सर्किट बनाया जा सकता है; माइक्रोवेव इन ऊर्जा स्तरों के बीच सर्किट को कूदने के लिए प्रेरित कर सकते हैं; और सर्किट को एक रेज़ोनेटर के साथ सावधानीपूर्वक युग्मित करने से ऑपरेटर को सर्किट में बदलाव को बिना परेशान किए मापने की अनुमति मिल सकती है। यह आर्किटेक्चर, जिसे सर्किट क्वांटम इलेक्ट्रोडायनामिक्स के रूप में जाना जाता है, आज के कई सुपरकंडक्टिंग क्वांटम प्रोसेसर की नींव है।
(रेज़ोनेटर माइक्रोवेव के लिए एक प्रतिध्वनि कक्ष की तरह है। जब सर्किट को एक रेज़ोनेटर से जोड़ा जाता है, तो दोनों नियंत्रित तरीके से ऊर्जा का आदान-प्रदान कर सकते हैं, जिससे वैज्ञानिकों को रेज़ोनेटर के व्यवहार में परिवर्तन देखकर अप्रत्यक्ष रूप से सर्किट की स्थिति को मापने की अनुमति मिलती है।)
सुपरकंडक्टिंग सर्किट जो मैक्रोस्कोपिक क्वांटम प्रभावों का फायदा उठाते हैं, अब कई उभरती प्रौद्योगिकियों के केंद्र में हैं। वे क्वांटम एम्पलीफायर हैं जो बिना शोर के बेहद कमजोर संकेतों को बढ़ावा देते हैं – निदान में एक उपयोगी क्षमता जितनी कि डार्क मैटर की खोज। इनका उपयोग असाधारण सटीकता के साथ करंट और वोल्टेज को मापने के लिए किया जाता है। वे माइक्रोवेव-टू-ऑप्टिकल कनवर्टर हो सकते हैं जो क्वांटम प्रोसेसर को फाइबर-ऑप्टिक नेटवर्क से जोड़ते हैं। वे क्वांटम सिमुलेटर में घटक हैं जिनका उपयोग जटिल सामग्रियों या यहां तक कि परमाणु द्वारा रासायनिक प्रतिक्रियाओं को मॉडल करने के लिए किया जाता है।
अंततः, ये उपकरण उपयोगी हैं क्योंकि सर्किट के चरण अंतर और सुपरकरंट बड़े, मापने योग्य परिवर्तनों के साथ छोटे बाहरी प्रभावों पर भी प्रतिक्रिया करते हैं। पुरस्कार विजेताओं के काम ने इस बग को एक फीचर में बदल दिया।
